基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统，为RFID阅读器配置包含多个接收天线单元和发射天线单元的天线阵列，通过检测多个接收天线单元所收到的RFID标签后向散射射频电磁波信号的相位差以得到对标签方位角的测向数据信息，再结合单阅读器的测距数据或多个阅读器的测向数据进行测向测距定位或交叉测向定位以获取RFID标签的物理位置数据信息，实现对RFID标签所附着目标的精确无线定位，为用户提供简单灵活、经济优质的射频识别无线定位服务。

【技术实现步骤摘要】
基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法及系统
本专利技术属于无线定位
，特别是涉及一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统。
技术介绍
无线定位是指采用无线射频通信技术在工作区域内对目标位置进行实时连续动态的跟踪测量，其基本工作原理是通过检测发射接收的无线射频电磁波信号的特性参数及所携带的数据信息以得到待定位目标的物理位置信息。射频识别(RFID)是一种非接触式自动信息识别传输技术，其基本系统包括两个部分=RFID应答器和RFID读写器。RFID应答器(也称为RFID标签)，存储有所附着目标对象(如商品、货物、证件等)的唯一标示符数据，也可存储目标对象的特定应用数据信息，如商品产地、送货地址、身份信息等；RFID读写器(也称为RFID阅读器)，通过无线射频信号与RFID标签通信以读取其唯一标示符和应用数据信息。根据所使用无线射频信号的频段，RFID技术可分为低频(LF)、高频(HF)和超高频(UHF)三类，其中UHF RFID技术具有远距离、快速识别、多标签读取等优点，适于设计基于RFID技术的无线定位系统。在一个RFID无线定位系统中，RFID阅读器使用天线发射无线射频电磁波，RFID标签接收电磁波以从中获取工作电源能量并使用所存储的数据信息调制及后向散射电磁波，RFID阅读器使用天线接收并解调RFID标签后向散射电磁波的特性参数及所携带的数据信息，实现对RFID标签所存储数据信息的非接触式射频识别读取，同时实现对RFID标签所附着目标物理位置的无线定位。已有的RFID无线定位系统主要有四种工作原理，第一种是基于阅读器基站定位，定位系统布置有多个RFID阅读器作为定位基站，通过判断待定位RFID标签处于哪些RFID阅读器的识别范围内从而根据RFID阅读器的位置实现基站接近定位，系统在技术层面虽易于实施但定位精度低，为提高定位精度需要大量增加RFID阅读器数量，因而系统建造成本和布置复杂度都很高；第二种是基于接收信号强度(RSSI)定位，RFID阅读器通过检测RFID标签后向散射信号的强度估计RFID标签到RFID阅读器的距离，再通过多个RFID阅读器的距离测量结果进行三角计算实现定位，系统构造简单且不需要布置大量RFID阅读器，但由于射频信号强度受复杂传播环境及多径衰落等因素的影响存在定位精度低的缺点，并且容易受到其它无线通信系统的干扰；第三种是基于收发延迟测距定位，RFID阅读器通过检测RFID标签后向散射返回RFID阅读器天线的信号与发射信号的时间或相位延迟得到RFID标签到RFID阅读器的距离，并通过多个RFID阅读器的距离测量结果进行三角计算以实现对RFID标签定位，可以得到较高的定位精度，但由于定位系统仍然需要布置多个阅读器，其建设的复杂度和成本仍然比较高；第四种是基于定向天线测向定位，RFID阅读器采用具有高方向性增益的定向天线，通过调整天线波束的指向并检测是否存在有效的RFID标签的返回信号以获得RFID标签的方位角信息，再结合多个RFID阅读器的测向或测距结果实现RFID标签定位，定向天线的使用也有助于提高信噪比从而得到较高的定位精度，但天线波束有限的方向性使其定位精度仍然受到很大的限制，实现天线波束空间扫描测向的系统设计建设也比较复杂昂贵。
技术实现思路
针对上述技术现状的不足，本专利技术提供一种基于天线阵列相位差测向射频识别进行无线定位的方法及系统，其RFID阅读器配置有包含多个接收天线单元和发射天线单元的天线阵列，RFID阅读器通过检测天线阵列各个天线单元所接收RFID标签后向散射射频电磁波信号的相位差以得到对标签方位角的测向信息，再结合单RFID阅读器的测距结果进行测向测距定位或多RFID阅读器的测向结果进行交叉测向定位以获取RFID标签的物理位置信息，实现对RFID标签所附着目标的射频识别和精确无线定位，整个定位系统设计组成简单灵活经济，有助于推进射频识别无线定位技术的大规模布置应用。本专利技术所给出的技术方案详细内容如下:一、基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法本专利技术的方法RFID阅读器使用所配置天线阵列的发射天线单元向待识别定位的RFID标签发射射频电磁波，RFID标签的天线接收电磁波以从中获取工作所需的电源能量或通过配备电池作为工作电源，RFID标签同时使用所存储的射频识别数据编码信息调制其天线的端接阻抗匹配状态以反射电磁波信信号进行电磁波的后向散射，RFID阅读器使用所配置天线阵列的各个接收天线单元接收并解调RFID标签后向散射的电磁波所携带的射频识别数据及电磁波相位参数信息，并对多个接收天线单元的相位差数据进行测量计算以获得RFID标签方位角的测向信息，再进行多RFID阅读器交叉测向定位或单RFID阅读器测向测距定位，即可获得RFID标签的坐标位置信息，实现射频识别和无线定位功能。本专利技术的方法RFID阅读器所配置天线阵列的各个天线单元之间具有特定的相对位置和距离关系，各个天 线单元所接收的后向散射电磁波信号之间的相位差和RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角之间具有特定的对应关系，一个典型的天线阵列具有两个接收天线单元和一个接收发射天线单元，三个天线单元成直角排列，接收发射天线单元位于直角顶点并设置为直角坐标系原点，两个接收天线单元分别处于X轴与Y轴上，与接收发射天线单元的距离均为d，天线单元为半空间波束天线，其波束指向与Z轴方向一致，将RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角定义为由天线阵列直角顶点至标签连线与X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角组成，SP (α, β, Y)，方位角分量α、β的取值范围为≥O且≤π，方位角分量Y的取值范围为≥O且≤π /2, RFID标签的直角坐标形式位置用(x，y，z)表示，则通过测量各个天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对标签进行无线定位的方法包括下列步骤: (1)将位于X轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为Px，则使用RFID阅读器对Px的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角α分量为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，RFID阅读器使用所配置天线阵列的发射天线单元向待识别定位的RFID标签发射射频电磁波，RFID标签的天线接收电磁波以从中获取工作所需的电源能量或通过配备电池作为工作电源，RFID标签同时使用所存储的射频识别数据编码信息调制其天线的端接阻抗匹配状态以反射电磁波信信号进行电磁波的后向散射，RFID阅读器使用所配置天线阵列的各个接收天线单元接收并解调RFID标签后向散射的电磁波所携带的射频识别数据及电磁波相位参数信息，并对多个接收天线单元的相位差数据进行测量计算以获得RFID标签方位角的测向信息，再进行多RFID阅读器交叉测向定位或单RFID阅读器测向测距定位，即可获得RFID标签的坐标位置信息，实现射频识别和无线定位功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，RFID阅读器使用所配置天线阵列的发射天线单元向待识别定位的RFID标签发射射频电磁波，RFID标签的天线接收电磁波以从中获取工作所需的电源能量或通过配备电池作为工作电源，RFID标签同时使用所存储的射频识别数据编码信息调制其天线的端接阻抗匹配状态以反射电磁波信信号进行电磁波的后向散射，RFID阅读器使用所配置天线阵列的各个接收天线单元接收并解调RFID标签后向散射的电磁波所携带的射频识别数据及电磁波相位参数信息，并对多个接收天线单元的相位差数据进行测量计算以获得RFID标签方位角的测向信息，再进行多RFID阅读器交叉测向定位或单RFID阅读器测向测距定位，即可获得RFID标签的坐标位置信息，实现射频识别和无线定位功能。2.根据权利要求1所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，其特征在于:RFID阅读器所配置天线阵列的各个天线单元之间具有特定的相对位置和距离关系，各个天线单元所接收的后向散射电磁波信号之间的相位差和RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角之间具有特定的对应关系，一个典型的天线阵列具有两个接收天线单元和一个接收发射天线单元，三个天线单元成直角排列，接收发射天线单元位于直角顶点并设置为直角坐标系原点，两个接收天线单元分别处于X轴与Y轴上，与接收发射天线单元的距离均为d，天线单元为半空间波束天线，其波束指向与Z轴方向一致，将RFID标签相对于RFID阅读器天线阵列的方位角定义为由天线阵列直角顶点至标签连线与X、Y、Z坐标轴正向之间的夹角组成，即(α , β , Y),方位角分量α、β的取值范围为≥O且≤Ji，方位角分量Y的取值范围为≥O且≤π/2, RFID标签的直角坐标形式位置用(X，y, ζ)表示，则通过测量各个天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对标签进行无线定位的方法包括下列步骤: (1)将位于X轴的接收天线单元与位于原点的接收发射天线单元所接收电磁波信号之间的相位差表示为Ρχ，则使用RFID阅读器对Px的测量值和如下公式计算获得RFID标签的方位角α分量为: 3.根据权利要求2所述的基于天线阵列相位差测向射频识别的无线定位方法，其特征在于:RFID阅读器在通过测量天线单元所接收电磁波信号之间的相位差对RFID标签进行无线定位的方法中采用如下有效性判据解决测量误差所导致的无效数据问题: (1)RFID阅读器对天线单元相位差测量数据进行多次算数平均得到所需的Px和Py测量值，从而减少随机测量误差，并通过校准技术消除各个接收天线单元至阅读器的信号传输路径失配误差； (2)使用Px测量值计算RFID标签的方位角α分量时，如果Px> 2 π d/ λ，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：范志广，
申请(专利权)人：范志广，
类型：发明
国别省市：上海;31